Быстрее, выше, прочнее: композиты в авиастроении

Что такое композиционные материалы? Как улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Химик Борис Булгаков объясняет, почему все, что двигается быстро, стоит делать из композитов.

Сочетая вещества с разными свойствами, можно получить новый, композиционный материал. Самый известный пример такого материала — железобетон. Это материал, состоящий из металлической арматуры и бетона, без которого невозможно было бы строить высокие здания. Армирующий наполнитель — металлические прутья — обладает более высоким модулем упругости, чем бетон, и повышает жесткость материала. Прочность железобетона в направлении армирования значительно выше, чем у простого бетона. Можно строить сравнительно легкие и высокие конструкции, которые не будут терять устойчивость и разрушаться под собственным весом или внешними нагрузками. По такому же принципу устроены и другие конструкционные композиты.

Конструкционные полимерные композиты

Все композиционные материалы состоят из матрицы и жесткого армирующего наполнителя. Как правило, армирующий наполнитель в полимерных композитах — углеродные или стеклянные волокна, а матрица — полимерный материал, как правило синтетическая смола. Чаще всего применяют термореактивные смолы. При нагревании они образуют трехмерную полимерную сетку, из-за чего матрица становится жесткой и химически устойчивой. Из этих материалов можно создавать легкие детали, по прочности превосходящие металлические.

Их применение актуально везде, где важны легкость и прочность, в первую очередь в авиации: от веса самолета напрямую зависит расход топлива. В автомобильной промышленности из углепластиков делают спорткары, болиды «Формулы-1», элитные модели легковых автомобилей и электромобили. Все, что двигается быстро, сейчас стараются делать из композитов.

В конструкции самолета из композиционных материалов можно изготовить фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолу, детали интерьера. Чаще для самолетов применяется более легкий углепластик, а стеклопластик — для ненагруженных деталей и носового обтекателя. Стеклопластик тяжелее, чем углепластик, и менее прочный, но он значительно дешевле. Носовой обтекатель самолета делают из стеклопластика, так как эта деталь должна пропускать радиоволны, а углеволокно проводит ток и создает помехи.

Схема лайнера Boeing-787.
Темно-серым цветом выделены детали из углепластика // boeing.com

Нельзя заменить композиционными материалами детали двигателя, потому что полимеры не выдерживают температуры. Стойки шасси не делают из композитов, потому что на них высокая ударная нагрузка; металлическими остаются подвижные части, например некоторые элементы механизации крыла. Тормозные диски делают из композиционных материалов, но другого класса — углерод-углеродных композитов.

Разработка новых материалов 

Композиционные материалы совершенствуются: прочность и легкость материала зависят от инжиниринга детали, вида наполнителя. Разработчики постоянно улучшают параметры углеродных волокон, меняют типы выкладок и совершенствуют технологии формования.

Чтобы производить термостойкие материалы, получают новые полимеры.

В технологии при создании новых полимерных матриц есть ограничение: нужно отталкиваться от исходных веществ, которые уже есть в тоннажном производстве и недорого стоят. Композитная отрасль в России достаточно маленькая, и запускать новое производство узкоспециализированных реагентов нерационально.

Теплостойкость материала определяется исключительно свойствами матрицы — все известные полимеры выдерживают существенно более низкие температуры, чем углеродное или стеклянное волокно. Стекловолокно плавится при температуре около 600 °C, а авиационные эпоксидные смолы — до 180 °C, максимальная описанная в научной литературе температура стеклования эпоксидных матриц — около 240 °C, но этого материала нет в массовом производстве.

Выдерживающие высокие температуры композиты нужны для деталей двигателей, выхлопных труб, для высокотемпературной электроизоляции, тепловых щитов космических кораблей, интерьеров подводных лодок — там, где очень сложно потушить пожар. В авиастроении снова рассматривают возможность возвращения к пассажирской сверхзвуковой авиации: скорости большие, важна экономия топлива и теплостойкость обшивки. Для всех этих применений нужны новые полимеры.

Одна из наших новых работ — группы ученых кафедры химической технологии МГУ имени М. В. Ломоносова — уже дошла до этапа опытно-промышленного производства — полимер, выдерживающий повышенные температуры. Одним из подходящих теплостойких связующих были достаточно давно известные фталонитрилы. Проблема в том, что чем выше теплостойкость конечного материала, тем более «капризные» для переработки базовые мономеры. Химической модификацией структуры фталонитрилов мы получили новый мономер и разработали фталонитрильное связующее, которое легко перерабатывается. Материал сохраняет свойства до 450 °C, но долговременно стабилен на воздухе при 350 °C, так как окисляется при более высоких температурах. Сами фталонитрилы мы не изобретали, но придумали, как производить их дешево, чтобы материал легко перерабатывался и не терял свойства.

Формирование деталей

Свойства композиционного материала определяют не только матрица и наполнитель, но и технология их получения. Благодаря волокну упрочнение идет только в одном направлении — вдоль волокна. Чтобы добиться хорошей прочности, композит выкладывают слоями, чередуя направление волокна — прочность уравнивается в длину и в ширину. Чтобы упрочнить материал в третьем направлении, слои могут быть вертикально прошиты дополнительными волокнами. Задавая направление волокон в материале, мы определяем его свойства. Каждая деталь индивидуальна, и у каждого типа изделия из композита своя выкладка — в зависимости от того, в каких направлениях она будет нагружаться. Как правильно выложить ленту волокна для конкретной детали, рассчитывают математики-прочнисты, исходя из свойств волокон и матрицы.

Как получить готовое изделие из композита? Изначально технология была похожа на изготовление папье-маше: брали волокно, промазывали кисточкой и клали следующий слой. Некоторые изделия производят таким способом до сих пор, но риск человеческой ошибки слишком высок. Сейчас процесс производства стремятся максимально автоматизировать.

Есть разные способы совместить матрицу и наполнитель. Самый распространенный в авиации — формование препрегов. Заранее пропитанную связующим и выложенную в несколько слоев ткань (препрег, от английского pre-impregnated) помещают в автоклав, куда подают высокое давление и высокую температуру. Полимерные связующие вязкие, и при выкладке между слоями образуются пустоты, которые нужно убрать под высоким давлением — пузырек газа просто схлопывается и растворяется в матрице. Детали, имеющие осевую симметрию, например фюзеляжи самолетов или мачты парусников или ветрогенераторов, получают намоткой пропитанного связующим волокна на вращающийся вал, после чего их также помещают в автоклав. Использование автоклавов для формования больших деталей могут позволить себе только крупные производители, и мировые тенденции направлены на отказ от автоклавных технологий и удешевление производства.

Альтернатива автоклавам — технология вакуумной инфузии. В специальный пакет выкладывают сухой материал, полимерное связующее за счет вакуума затягивается по трубкам и пропитывает ткань, и деталь отверждают при высоких температурах. Пакет для вакуумной инфузии можно сделать любого размера, и эта технология позволяет производить очень большие детали, которые нельзя сделать ни одним из других методов производства композитов. Вакуумной инфузией получают детали крыла российского самолета МС-21 длиной 25 метров, чего до этого не делал никто в мире.

Минусы композиционных материалов

Использование композитов позволяет сокращать количество частей в детали, тем самым ускоряя сборку самолета, и получать изделия сложной формы. В отличие от металлов, композиты не подвержены усталости. В то же время полимерные композиты имеют ряд недостатков: композиционные материалы пока что значительно дороже, чем металлы, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.

Слабое место полимерных композитов — ударная прочность. После удара в детали из композиционного материала образуются микротрещины, которые при циклических нагрузках приводят к расслоению материала. Для того чтобы полимерные композиты лучше «держали удар», разрабатывают специальные составы связующих, в состав термореактивных матриц вводят термопласты или используют термопластичные матрицы. Если композитная деталь ломается, ее нужно полностью заменять новой. Есть технологии ремонта, но они не очень надежны, и в авиации ремонт применяют редко: после него деталь редко может пройти квалификацию. Чтобы следить за появлением трещин, необходима сложная диагностика. Например, в композит встраивают оптоволоконные датчики: в режиме онлайн можно своевременно определять целостность структуры материала.

Кроме того, углепластики, в отличие от металла, горят, и при этом выделяются ядовитые вещества, люди могут задохнуться дымом, поэтому в интерьерах используются пластики с низкой горючестью, в состав которых входят специальные добавки — антипирены.